ch8-材料表面與界面

1、整理課件1第8章 材料的表面與界面材料科學基礎材料科學基礎整理課件28.1 基礎知識基礎知識1 1）表面表面: :表面是指固體與真空的界面。表面是指固體與真空的界面。2 2）界面界面: :相鄰兩個結晶空間的交界面稱為相鄰兩個結晶空間的交界面稱為“界面界面”。3 3）相界面相界面: :相鄰相之間的交界面稱為相界面。相界面有三類，相鄰相之間的交界面稱為相界面。相界面有三類，如固相與固相的相界面（如固相與固相的相界面（s sB B）；固相與氣相之間的相界面）；固相與氣相之間的相界面（s sG G）；固相與液相之間的相界面（）；固相與液相之間的相界面（s sL L）。）。表面問題：表面問題：金屬材料金

2、屬材料 陶瓷材料陶瓷材料 電子材料電子材料 高聚物高聚物 復合材料復合材料整理課件3最常見的材料表界面類型（按形成途徑劃分）最常見的材料表界面類型（按形成途徑劃分）機械作用界面機械作用界面化學作用界面化學作用界面固體結合界面固體結合界面液相或氣相沉積界面液相或氣相沉積界面凝固共生界面凝固共生界面粉末冶金界面粉末冶金界面黏結界面黏結界面熔焊界面熔焊界面整理課件48.1.1 物質表面物質表面 固體表面的定義固體表面的定義：晶體三維周期結構和真空之間的過：晶體三維周期結構和真空之間的過渡區(qū)域。渡區(qū)域。理想表面理想表面清潔表面清潔表面吸附表面吸附表面 理想表面理想表面:表面結構不變地延續(xù)到表面后中斷，

3、是理論表面結構不變地延續(xù)到表面后中斷，是理論 上結構完整的二維點陣平面，忽略了熱運動熱擴散和熱上結構完整的二維點陣平面，忽略了熱運動熱擴散和熱 缺陷及表面的物理化學現象等。缺陷及表面的物理化學現象等。d理想表面結構整理課件5清潔表面清潔表面：是指不存在任何吸附、催化反應、雜質擴散等：是指不存在任何吸附、催化反應、雜質擴散等物理化學效應的表面物理化學效應的表面,沒有表面污染的實際表面沒有表面污染的實際表面臺階表面臺階表面弛豫表面結構弛豫表面結構重構表面重構表面112111110(001)周期周期臺階表面臺階表面臺階表面不是一個平面，臺階表面不是一個平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)它是由有規(guī)則的或不規(guī)則

4、的臺階的表面所組成則的臺階的表面所組成整理課件6弛豫表面結構dd0（2 2） 弛豫表面弛豫表面表面層之間以及表面和體內原子層之間的垂直距表面層之間以及表面和體內原子層之間的垂直距離和體內原子層間距相比有所膨脹和壓縮現象離和體內原子層間距相比有所膨脹和壓縮現象整理課件7（3）重構表面）重構表面：表面原子層在水平方向上的周期性（晶：表面原子層在水平方向上的周期性（晶格基矢格基矢as）不同于體內晶格基矢）不同于體內晶格基矢a，但垂直方向上的層間距，但垂直方向上的層間距離與內部層間距離相同離與內部層間距離相同密排六方重構表面示意圖asa整理課件8吸附表面吸附表面：在實際存在的表面，普遍存在吸附物質。：

5、在實際存在的表面，普遍存在吸附物質。吸附物質：吸附物質： 表面環(huán)境中的氣相分子、原子及其化合物，表面環(huán)境中的氣相分子、原子及其化合物， 來自體內擴散出來的元素物質。來自體內擴散出來的元素物質。吸附形式：吸附形式： 可以被簡單吸附在晶體表面可以被簡單吸附在晶體表面 可以外延生長在晶體表面構成新的表面層可以外延生長在晶體表面構成新的表面層 進入表面層一定深度同表面原子形成有序的表面合金。進入表面層一定深度同表面原子形成有序的表面合金。整理課件98.1.2 固體的表面自由能和表面張力固體的表面自由能和表面張力表面能表面能：每增加單位表面積時，體系自由能的增量：每增加單位表面積時，體系自由能的增量 單

6、位單位Jm-2表面張力表面張力：擴張表面單位長度所需要的力。：擴張表面單位長度所需要的力。與液體相比：與液體相比：1）固體的表面自由能中包含了固體的表面自由能中包含了彈性能彈性能。表面張力在數值。表面張力在數值上不等于表面自由能；上不等于表面自由能；2）固體的表面上的原子組成和排列是各向異性的，張力）固體的表面上的原子組成和排列是各向異性的，張力是各向異性的，不同晶面的表面自由能也不相同。是各向異性的，不同晶面的表面自由能也不相同。3）實際固體的表面絕大多數處于非平衡狀態(tài)，決定固體）實際固體的表面絕大多數處于非平衡狀態(tài)，決定固體表面形態(tài)的主要是形成固體表面時的條件以及它所經表面形態(tài)的主要是形成

7、固體表面時的條件以及它所經歷的歷史。歷的歷史。4）固體的表面自由能和表面張力的測定非常困難。）固體的表面自由能和表面張力的測定非常困難。 整理課件108.1.4 8.1.4 固液界面與潤濕固液界面與潤濕機械潤滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶機械潤滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶瓷瓷/ /金屬的封接等工藝和理論都與潤濕過程有關。金屬的封接等工藝和理論都與潤濕過程有關。潤濕的熱力學定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自潤濕的熱力學定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能降低，稱為潤濕。由能降低，稱為潤濕。潤濕形式：潤濕形式： 附著潤濕附著潤濕 鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇?浸

8、漬潤濕浸漬潤濕 整理課件11鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇窀拍睿阂旱温湓谇鍧嵠交腆w表面的過程。概念：液滴落在清潔平滑固體表面的過程。忽略液體重力和粘度影響，則鋪展是由固忽略液體重力和粘度影響，則鋪展是由固/ /氣氣(SG)(SG)、固、固/ /液液( (SLSL) )和液和液/ /氣氣( (LGLG) )三個界面張力所決定：三個界面張力所決定： 式中式中是潤濕角；是潤濕角；F F 稱潤濕張力。稱潤濕張力。 90 90不潤濕；不潤濕； 90 。 cosLGSLSGSLSGLGFcosSGSL整理課件128.1.5 固固界面與黏附固固界面與黏附固固界面：結構與組分中存在不同的兩個固相之間的界面固固界面：結構與

9、組分中存在不同的兩個固相之間的界面黏附：兩黏附固體界面上的黏結現象，是通過跨越兩固相黏附：兩黏附固體界面上的黏結現象，是通過跨越兩固相界面的相互作用而產生的。界面的相互作用而產生的。aaWa=+-aaaaaWa=2Wa為黏附功整理課件138.1.2.1 8.1.2.1 小角晶界及界面能小角晶界及界面能 小角晶界：兩晶粒間的位向差小于小角晶界：兩晶粒間的位向差小于10； 大角晶界：位向差超過大角晶界：位向差超過10。 小角晶界又可分：小角晶界又可分：傾轉晶界（一系列刃位錯構成）傾轉晶界（一系列刃位錯構成） 扭轉晶界（螺位錯構成）扭轉晶界（螺位錯構成）整理課件14 對稱傾轉晶界和扭轉晶界對稱傾轉晶

10、界和扭轉晶界（1）對稱傾轉晶界對稱傾轉晶界對稱傾轉晶界可以看作對稱傾轉晶界可以看作是取向一致的兩個晶體是取向一致的兩個晶體相互傾轉相互傾轉 角形成的角形成的界面。界面。 2/分類分類(2)(2)不對稱傾斜界面不對稱傾斜界面：晶界看成兩組互相垂直的刃型：晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯排列而成的。位錯排列而成的。(3)(3)扭轉晶界扭轉晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開：將一塊晶體沿橫斷面切開, ,并使上下部并使上下部分晶體繞軸轉動分晶體繞軸轉動角角, ,再與下部分晶體粘在一起形成。再與下部分晶體粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位錯所組成。可看成是由互相交叉的螺位錯所組成。整理課件15大角度晶界大角

11、度晶界 大角度晶界：為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數晶大角度晶界：為原子呈不規(guī)則排列的一過渡層。大多數晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。粒之間的晶界都屬于大角度晶界。 整理課件16晶界特征晶界特征 （1 1）晶界處點陣畸變大，存在晶界能。）晶界處點陣畸變大，存在晶界能。 （2 2）常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙運動，使塑）常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙運動，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強度提高。型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強度提高。 （3 3）晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺陷）晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴散比

12、晶內快得多。原子在晶界處擴散比晶內快得多。 （4 4）固態(tài)相變時易在晶界處形成新核。）固態(tài)相變時易在晶界處形成新核。 （5 5）晶界上富集雜質原子多，熔點低）晶界上富集雜質原子多，熔點低 （6 6）晶界腐蝕速度比晶內快。）晶界腐蝕速度比晶內快。 （7 7）晶界具有不同與晶內的物理性質。）晶界具有不同與晶內的物理性質。 整理課件178.2.1.4 8.2.1.4 相界相界（coherent phase boundary coherent phase boundary ）：）： 特征：界面兩側的保持一定的位向關系，沿界面兩相具有特征：界面兩側的保持一定的位向關系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列

13、，兩相在界面上原子匹配得好，界面相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。上能量高。理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。2. 2. 半共格界面半共格界面（semi-semi-coherent phase boundary coherent phase boundary ) ) 特征：沿相界面每隔一定距離產生一個刃型位錯，除刃特征：沿相界面每隔一定距離產生一個刃型位錯，除刃型位錯線上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界型位錯線上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成

14、。 半共格界面上的位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面半共格界面上的位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯配度（的錯配度（）（noncoherent phase boundarynoncoherent phase boundary） 特征：原子不規(guī)則排列的薄層為兩相的過渡層。特征：原子不規(guī)則排列的薄層為兩相的過渡層。整理課件18整理課件198.3 8.3 界面的偏聚與遷移界面的偏聚與遷移8.3.1 8.3.1 晶界平衡偏析晶界平衡偏析 晶界偏析：晶界偏析：在平衡條件下，溶質原子（離子）在晶界處在平衡條件下，溶質原子（離子）在晶界處 濃度偏離平均濃度。濃度偏離平均濃度。 偏析的自發(fā)趨勢：偏析的自發(fā)趨勢

15、：晶界結構缺陷比晶內多，溶質原子晶界結構缺陷比晶內多，溶質原子 （離子）處于晶內的能量比處在晶界的能量高，通過偏析（離子）處于晶內的能量比處在晶界的能量高，通過偏析 使系統(tǒng)能量降低。使系統(tǒng)能量降低。 偏析驅動力是內能差：偏析驅動力是內能差：設一個原子位于晶內和晶界的內設一個原子位于晶內和晶界的內 能分別為能分別為E El l 和和E Eg g ，則偏析的驅動力為：，則偏析的驅動力為：1agEEE整理課件208.3.2 8.3.2 晶界遷移晶界遷移晶界遷移晶界遷移 晶界在其法線上的位移，從微觀上看，是通晶界在其法線上的位移，從微觀上看，是通過晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動實現的過晶粒邊緣上的

16、原子向其鄰近晶粒的跳動實現的典型情況：晶粒長大過程；相變過程。典型情況：晶粒長大過程；相變過程。整理課件21 影響晶界遷移的主要因素影響晶界遷移的主要因素 溶質或雜質原子溶質或雜質原子 - 降低遷移率，與晶界偏析、晶界結構降低遷移率，與晶界偏析、晶界結構有關。有關。 晶界第二相顆粒晶界第二相顆粒 - - 阻礙作用，晶界脫離第二相顆粒的阻礙作用，晶界脫離第二相顆粒的 遷移是系統(tǒng)能量提高的過程（需生長出這段晶界），產遷移是系統(tǒng)能量提高的過程（需生長出這段晶界），產 生晶界遷移的阻力。生晶界遷移的阻力。 溫度溫度 - 遷移率與晶界擴散系數遷移率與晶界擴散系數D D 由由Einstein Einste

17、in 關系聯系關系聯系： 由上式知隨溫度的升高，晶界遷移率提高。由上式知隨溫度的升高，晶界遷移率提高。 晶粒位向晶粒位向 - - 晶界的晶粒取向差小，遷移率低。晶界的晶粒取向差小，遷移率低。 kTDB晶界整理課件228.6 復合體系的界面結合特性復合體系的界面結合特性界面相是復合材料的一個組成部分，其作用可以歸納一下界面相是復合材料的一個組成部分，其作用可以歸納一下幾個方面。幾個方面。傳遞作用傳遞作用：界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強物，起到：界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強物，起到基體和增強體之間的橋梁作用基體和增強體之間的橋梁作用阻斷作用阻斷作用：結合適當的界面有阻止裂紋擴展、中斷材料破：結合適當的界面有阻止裂紋擴展、中斷材料破壞、減緩應力集中的作用壞、減緩應力集中的作用保護作用保護作用：界面相可以保護增強體免受環(huán)境的侵蝕，防止：界面相可以保護增強體免受環(huán)境的侵蝕，防止基體與增強體之間的化學反應，起到保護增強體的作用。基體與增強體之間的化學反應，起到保護增強體的作用